شبيه سازي المان محدود به منظور پيش بيني رفتار مكانيكي داربست هاي استخواني توليد شده به وسيله روش ساخت افزودني اكستروژن رشته پليمري

Finite element analysis for predicting the mechanical properties of bone scaffolds fabricated by fused deposition modeling (FDM)

بهره گيري از تكنيك هاي ساخت افزودني در علم پزشكي موجب تحولي عظيم در اين زمينه و بخصوص در حيطه مهندسي بافت استخوان شده است. يكي از اين تكنيك ها، فرآيند ساخت افزودني اكستروژن رشته پليمري با استفاده از حرارت مي باشد كه براي ساخت داربست‌هاي استخواني استفاده مي‌گردد. از ديدگاه مهندسي بافت استخوان، داربست هاي استخواني مي بايست علاوه بر ويژگي هاي مورد نياز بيولوژيكي، داراي ويژگي هاي مكانيكي قابل قبولي باشند. در اين زمينه، شبيه سازي المان محدود براي پيش بيني ويژگي هاي مكانيكي داربست هاي استخواني به عنوان يكي از متداول ترين روش ها براي كاهش آزمون هاي عملي مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين مطالعه، يك مدل المان محدود با استفاده از كدنويسي به زبان برنامه نويسي نرم افزار آباكوس براي داربست هاي استخواني ساخته شده ايجاد شد. ويژگي هاي مكانيكي ساختمان داربست هاي استخواني توسط آزمون فشار تعيين شده و آزمايش هاي جداگانه اي به منظور اعتبارسنجي مدل عددي سه بعدي ارايه شده به عمل آمد. داربست هاي استخواني در مدل عددي و آزمون هاي تجربي با فاصله بين رشته اي 350 ميكرون طراحي و ساخته شدند. نتايج حاصل از اين شبيه سازي براساس مقايسه مدول الاستيك به دست آمده از اين شبيه سازي با مقادير تجربي نشان دادند كه اين مدل المان محدود قادر به پيش بيني رفتار مكانيكي داربست هاي استخواني با دقت قابل قبولي مي-باشد.

Getting benefit from additive manufacturing (AM) techniques in medicine has revolutionized this filed especially in bone tissue engineering. One of the low-cost AM techniques is fused deposition modeling (FDM) that has provided a platform for fabrication of bone scaffolds. Bone scaffolds should have acceptable mechanical properties as well as biological features. In this way, finite element modeling as a common trend is used to predict the mechanical properties of bone scaffolds in order to reduce the number of experimental tests as well as considering the appropriate biological features. In this study, a reliable finite element model of bone scaffolds made by FDM technique was developed. The mechanical properties of the structure were determined by compression tests and separate experiments were used in order to validate the numerical model. All scaffolds in both model and experimental tests were designed and fabricated with a lay-down pattern of 0-90°, filament gap of 350 micron and 0.5 mm nozzle diameter. The results showed that the finite element model could predict the mechanical behavior of bone scaffolds with reasonable accuracy and hence it could be used for mechanical evaluation of the bone scaffolds.